黄河兰州段面源污染分析与防治对策

【水资源】
黄河兰州段面源污染分析与防治对策
王有乐,高康宁,蒲生彦
(兰州大学资源环境学院,甘肃兰州730000)
摘　要:通过对兰州市城市面源污染和农业面源污染对C OD和氨氮的贡献进行分析,表明农业面源污染对黄河水质影响重大,2003年仅农田径流中COD负荷就是工业点源污染负荷的5.57倍。

提出了防治面源污染的非工程和工程技术对策。

关　键　词:面源污染;黄河;兰州市
中图分类号:X501 文献标识码:A 文章编号:100021379(2008)1020057202
兰州市工业废水排放总量呈逐年减少趋势,统计年鉴数据显示:2000～2003年工业废水排放总量分别为8734万、6365万、5474万t和5144万t,到2006年减少到4200万t,工业废水排放达标率均大于80%。

点源污染得到有效控制后,河流水质却未见明显好转[1],其原因是河流受到面源污染。

因此,进行黄河兰州段面源污染的分析研究十分必要。

面源污染是指污染物从非特定的地点,在降水(或融雪)冲刷作用下,随径流汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)并引起水体富营养化或其他形式的污染,主要分为城市和农业面源污染。

城市面源污染指在降水条件下,城市大气、地面污染物随地面径流进入受纳水体而引起的环境问题;农业面源污染是农业生产过程中对农用化学物质不合理使用、畜牧业过度养殖和农村生活污水等引起受纳水体水质变化的环境问题。

两者在我国均广泛存在,但农业面源污染问题尤为突出。

1　污染源分析
兰州市总面积为1.35万k m2,耕地面积为22万h m2,年均降水量为250～350mm,集中分布在6～9月,全市总人口为304万。

兰州市现辖城关、七里河、西固、安宁及红古等5个区和永登、榆中及皋兰3个县,辖区内产生的面源污染物最终均排入黄河。

在丰水期,河流径流量增大,对污染物的稀释能力增强,污染物的浓度理论上应小于枯水期,但有关水质监测数据显示,丰水期污染物的浓度反而大于枯水期的浓度,其原因为丰水期地面径流将面源污染物带入黄河。

笔者仅对面源污染物中具有代表性的COD、氨氮进行分析。

1.1　城市面源污染
兰州市区位于黄河河谷区,城区上空大气中含有大量烟气降尘,随降水回落至地面。

研究表明,在雨水中20%的有机物质、25%的磷、70%的总氮来自大气[1];另外降水冲刷、溶解地面上的污染物,因此产生的地面径流中污染物含量很高,次降水初期径流中污染物负荷比城市生活污水污染物负荷更高。

2003年兰州市建成区面积为141k m2,建成区绿化覆盖面积26.66k m2,覆盖率达18.91%,降水量为322.5mm。

结合兰州市地理、天气、人文以及污染物排放等实际状况,兰州市地表径流中COD、氨氮浓度分别取44.395、2.169mg/L。

金华等[2]对城市不透水面积比例为80%的径流系数预测值为0.79。

由此计算的2003年兰州市城市面源污染物排放量为COD1594.81t、氨氮77.92t。

1.2　农业面源污染
1.2.1　农田径流污染
由降水或灌溉而引起的农田径流会冲刷、溶解农田中的污染物质,将污染物带入地表径流而污染水体。

农田径流污染与降水强度、化肥使用强度、土壤类型、坡度以及农作物类型等因素有关,确定其污染量十分困难。

结合兰州市实际情况,污染物源强COD、氨氮每年分别取112.25、4.56kg/h m2。

据此可得出年均农田径流的COD和氨氮污染负荷分别为2.47万t和1003.2t。

农田径流中的氨氮主要来自化肥中的N流失。

自1995年以来,兰州市化肥使用量逐年增加,而耕地面积基本保持不变,化肥的施用强度随之增加(见表1),2003年高达566.26kg/h m2,高出发达国家为控制化肥污染制定限值225 kg/h m2[3]的1.52倍,比全国平均水平390kg/h m2高出45.2%,可见该市的化肥使用存在严重的不合理现象。

据调查,兰州市使用的化肥主要为氮、磷和钾肥,三者的比例为1∶0.5∶0.46,施入土壤中的化学肥料有效利用率很低,氮肥有效利用率只有30%～40%[4],若表施多于深施,造成肥料的有效利用率会更低。

由于化肥中的氮大多数以铵态氮形式存在,尿素虽然是有机态氮肥,但是在土壤中的脲酶作用下水解成碳酸铵或碳酸氢铵,因此化肥流失的氮主要以无机氮(氨氮和硝酸盐氮)
　收稿日期:2008204207
　作者简介:王有乐(1955—),男,甘肃榆中人,教授,主要从事水污染控制、水环境数学模型、环境影响评价方面的研究工作。

　E2mail:gaokn02@yahoo.co
第30卷第10期 人　民　黄　河 Vol.30,No.10
2008年10月 YE LLOW　R I V ER Oct.,2008
形式流失,其中氨氮占50%。

由此计算得到1995～2003年因化肥流失进入黄河的氨氮量逐年递增,从1995年的648.08t 增加到2003年的953.4t,增加了47.11%(见图1)。

图1　因化肥流失引起的氨氮负荷情况表1　兰州市1995～2003年化肥使用量
项目1995年2000年2001年2002年2003年总　量/t 84683106156114807120405124578强　度/
(kg ・hm -2)
384.92
482.53
521.85
547.30
566.26
　注:来源于《兰州年鉴2004》
1.2.2　畜禽养殖引起的污染
畜禽养殖会产生大量富含N 、P 和BOD 的畜禽粪便,若不进行妥善处理,遇到强降水过程,会随着地表径流汇入河流、湖泊而污染受纳水体。

畜禽污染物的产生量可通过不同种类畜禽粪便中污染物负荷和粪便排泄系数间接估算。

根据相关研究成果
[5]
得到不同种类畜禽污染物的排放系数,见表2。

表中
数据是年内畜禽存栏数量不变的情况统计的,故排泄时间均以一年计,家禽数据是鸡鸭鹅平均值。

表2　畜禽粪便排泄相关系数
kg/头(只)
畜禽种类粪
尿
COD BOD 氨氮
牛
73003650248.2193.525.2猪7301204.548.8047.63 3.95羊243.33401.5
16.2715.88 1.32家禽
36.5
—
1.667
1.422
0.102
1995～2003年兰州市养殖的畜禽种类主要为大牲畜(包括牛马骡驴)、猪、羊和鸡鸭鹅(见表3)。

据调查,畜禽养殖主要分布在城郊结合部和广大的农村地区,大多数的畜禽养殖污水用于堆肥浇灌或干燥后制作有机肥,因此以畜禽排泄系数的
12%作为流失系数计算污染物的排放量,得到畜禽养殖业1995～2003年平均每年向黄河排放COD 、BOD 和氨氮量分别
为0.79万、0.69万t 和718t/a 。

COD 和氨氮排放量从1995年的0.85万t 和771.5t 下降到2002年的0.76万t 和695.7t,到2003年又有所回升,分别为0.78万t 和709.6t (见图2)。

可见畜禽养殖业引起的面源污染十分严重,是农业面源污染的重要来源之一。

表3　兰州市1995～2003年畜禽年末存栏数万头(只)
畜禽种类1995年2000年2001年2002年2003年大牲畜
14.5913.7013.6713.
8314.01猪45.8443.7140.6740.2640.99羊53.7847.2345.9042.2545.29家禽
227.37
160.04
167.92
161.00
162.74
图2　畜禽养殖排污情况
1.2.3　农村生活污染
农民在日常生活中产生的污染物基本没有经过任何处理而随意排放,使得当地水体和陆地受到污染。

地面上的污染物
遇降水冲刷直接排入黄河或带到当地河流,随同河流中的污染物汇入黄河。

1995～2003年兰州市农业人口数平均为130.02万,占总人口的44.43%,2003年农业人口数为128.82万,占总人口的42.32%。

若兰州市农村人均生活污染物排放系数以
COD 20g/d 、氨氮1.95g/d 计算,1995～2003年由农村生活产
生的污染物平均每年向黄河输送COD 为0.949万t,氨氮为
925.4t 。

2003年输送C OD 量为0.94万t,氨氮为916.88t 。

可
见农村生活引起的面源污染也十分严重。

2　面源污染和工业点源污染比较分析
面源污染物占黄河污染物总量的比例相当大,以2003年为例进行分析说明。

2003年工业废水年排放量为5144万t,由工业废水排入黄河的COD 量为4435t,而农田径流排放的
COD 量为工业点源排放C OD 量的5.57倍,畜禽养殖和农村生
活面源污染负荷基本相当,分别为工业点源的1.76倍和2.12倍,城市径流面源污染COD 负荷较小,仅为工业点源的0.36倍。

2003年工业排放的氨氮量为74t,农田径流氨氮排出量为1003.2t (平均值),主要是由农田中氮肥的大量流失造成;畜牧养殖和农村生活污染负荷分别为工业点源的9.59倍和
12.39倍,城市径流负荷则仅为工业点源的1.05倍。

可见要控
制黄河兰州段的水体污染,仅仅靠控制工业点源污染是不够的,应将重点放在农业非点源污染的控制和防治上。

3　防治对策
3.1　非工程技术措施
(1)加强宣传教育,深入基层进行讲学和宣传,提高广大人
民群众的环保意识,特别是对非点源污染危害性的认识。

(2)定期举办学习班,培训各村镇代表,普及科学种田和养殖方法,特别要总体规划、合理使用化肥和农药,规范布局畜禽养殖场,提高畜禽粪便利用率和处理率,减少农业生产的自身污染。

(3)完善法律法规制度,健全地方性面源污染防治标准与规范。

重视并加强对非点源污染的管理与监督,实行逐级责任制,落实具体任务和目标。

3.2　工程技术措施
(1)建设雨水蓄水塘,防治城市面源污染。

建设城市地表
径流集水塘,使径流污染物能进入污水处理厂处理。

(2)采用人工湿地控制农业面源污染。

(下转第60页)
过浅而导致的潜水蒸发损失及土壤盐渍化等问题。

因而,将地下水位允许上升的最大高度定为极限高水位。

根据有关研究成果[9],地下水位埋深为5.0m时,潜水蒸发已经十分微弱,所以将极限高水位埋深定为5.0m。

3.2　极限低水位的确定
极限低水位一般依据赋水介质的厚度,在不引起环境负效应前提下的最大疏干程度以及当前的工程提水能力来确定。

研究区内,含水层底板平均高程为1088.13m,2006年平均潜水位为1141.685m,则潜水含水层的平均厚度为53.6m。

通常认为,潜水水位最大允许降深为天然含水层的一半[9],从保护区内地下水系统的角度出发,最大允许降深以含水层厚度的1/3计算,平均极限低水位定为1123.685m。

4　极限蓄水能力及空间分布分析
借助MODF LOW软件建立的研究区地下水流数值模型,对潜水给水度进行了率定。

应用A rcGI S软件的空间分析功能,将潜水给水度与极限高水位、隔水底板数据进行图层间的叠加分析计算,再与每个单元格的面积进行叠加计算,即可得到研究区的最大库容分布图[1]。

用类似的方法,分别计算出最小库容、最大调蓄库容、现状利用库容和潜力调蓄空间。

通过对各库容分布图进行统计计算,即得到相应的库容大小,统计结果见表1。

表1　库容统计结果
最大库容
范围/万m3库容/
亿m3
比例/
%
最大调蓄库容
范围/
万m3
库容/
亿m3
比例/
%
调蓄潜力
范围/
万m3
库容/
亿m3
比例/
%
782～11232661718～681270～4911 1135～171568468～185342049～17876 1715～209237223186～3531810178～3221312 2094～239644528353～5122112323～4831817 2397～277415510512～6712112483～6441616 2775～31741298672～8372011645～8131615 3179～3630765839～10171710813～9811413 3634～42014131023～12391810982～1154109 4240～53132311243～16241171159～145898 5605～7215811625～2153211489～201822合　计1582合　计174合　计104
统计分析计算结果表明:实例区最大库容理论值为1582亿m3、最小库容理论值为1408亿m3,最大调蓄库容理论值为174亿m3,现状利用空间理论值仅为70亿m3,所以调蓄潜力理论值为104亿m3,现状最大调蓄空间理论值为70亿m3。

因此,疏干含水层空间具有很大的调蓄潜力。

由于其库容空间分布受给水度和潜水埋深的影响,总体来看,在314国道东部以北具有较大的库容空间,而且越接近河流出山口,其调蓄空间越大,因此以后人工回灌工程应尽可能在此范围内修建,以有利于地下水位的回升,提高地下水库的利用效率,同时应考虑地质构造、地层条件以及补给源等因素的影响。

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【责任编辑　王　琦】
(上接第58页)人工湿地工程技术处理农田径流废水在我国“八五”攻关课题“滇池防护带农田径流污染控制工程技术研究”中首次应用,已取得良好社会环境效益。

在农村地区具备土地资源优势,可以建设人工湿地对农业面源污染物进行处理,缺水地区还可以利用处理后的水资源。

(3)加强水土保持,控制农业面源污染。

地面径流是农业面源污染的起因,因此防治水土流失是治理农业面源污染的根本。

积极响应国家号召及政策导向,大力推进造林种草进程,增加植被覆盖面积,修建梯田,利用沟渠分散地面径流、减小流速,缓减对地面的冲刷。

(4)发展生态农业,控制农业面源污染。

发展“种植-养殖-沼气”一体化生态农业,改变传统农业生产模式,养殖、沼气业利用植物秸秆,养殖业畜禽粪便用于发展种植、沼气业,沼气业污物回用于种植、养殖业,使废物最大限度地得到循环利用,从源头上消减污染物的产生。

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【责任编辑　乔韵青】。